Erkundung von Quantencomputing | Einblicke

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Ein Großteil unseres Lebens hängt von Computern ab, und Quantencomputer haben das Potenzial, die Verschlüsselung, auf die wir uns verlassen, sowie wissenschaftliche Studienbereiche auf den Kopf zu stellen. Dieser Beitrag untersucht diese aufregende, völlig neue Form der Datenverarbeitung und wie sie eine Vielzahl derzeit unlösbarer Probleme lösen kann.

I. Klassisches Computing: Wo wir heute stehen

Zuerst sollten wir einen kurzen Blick zurück auf „klassisches Computing“ werfen. Klassisches Computing umfasst jeden Computer, mit dem wir heute interagieren, von unseren Laptops bis zu unseren Smartphones. Die Geschichte der klassischen Computer ist eine Geschichte des menschlichen Einfallsreichtums, in der wir alles verwenden, was uns zur Verfügung steht, um Berechnungen zu zählen und zu beschleunigen.

Und die Finger sind der perfekte Ausgangspunkt. Unser Zahlensystem ist Basis-10, was bedeutet, dass wir zehn Ziffern (0-9) verwenden, bevor wir eine zweite Ziffer benötigen, um die nächste Zahl (10) zu beschreiben. Wir gehen davon aus, dass wir mit Zehnern zählen, aber es musste nicht so sein. Klassische Computer arbeiten beispielsweise mit Base-2, da sie nur 0 und 1 erkennen und verwenden können. Sobald sie die Zahlen 0 und 1 überschreiten, benötigen klassische Computer eine weitere Ziffer. (Klassische Computer notieren 2 mit „10“, und Sie können hier mit diesen Umwandlungen spielen.) Der Grund, warum wir mit Zehnern zählen, ist, dass wir zehn Finger haben (auch wenn vier Finger an jeder Hand funktioniert haben könnten).

Unsere Hände sind unsere ersten Computer. Jeder, der einem Kind geholfen hat, das Addieren oder Subtrahieren zu lernen, hat gesehen, wie es auf seine Finger zurückgegriffen hat, und bei Zahlen über zehn müssen Sie normalerweise ein paar Finger hochlegen, um zu helfen. Wie Sie mit Ihren Fingern zählen, kann sogar verraten, wo Sie aufgewachsen sind (in Korea bringt die Chisanbop-Methode Ihre beiden Hände auf 99), aber jeder auf der ganzen Welt schaut auf seine Hände, um grundlegende Berechnungen durchzuführen.

Schließlich fanden wir andere Materialien, mit denen wir Zahlen berechnen konnten. Wir könnten natürlich immer andere Objekte als Finger verwenden, um Zahlen darzustellen. Der Abakus stammt aus dem Jahr 2700 v. Chr. und ermöglichte es uns, Objekte zu manipulieren, um die Ausgabe schneller zu berechnen (hier erfahren Sie, wie man einen benutzt).

In den frühen 1800er Jahren stellte Charles Babbage Theorien auf, wie man ein mechanisches Gerät baut und verwendet, um Berechnungen durchzuführen. Mitte des 19. Jahrhunderts schloss er sich mit Ada Lovelace zusammen, um den ersten mechanischen Allzweckcomputer zu konzipieren, der die symbolische Logik manipulierte, die Analytical Engine. Nachdem wir den Elektromagnetismus verstanden hatten, erweckten Vakuumröhren und Transistoren im 20. Jahrhundert die Ideen von Babbage und Lovelace zum Leben und gaben uns die klassischen Computer, die heute in unserem Leben allgegenwärtig sind.

Die Geschichte des Computers ist eine Geschichte der Nutzung dessen, was uns umgibt, um die Verarbeitung von Informationen zu beschleunigen und zu verbessern.

II. Quantenmechanik

Quantencomputing baut auf dieser Geschichte des Rechnens auf, indem es die sehr, sehr seltsamen Eigenschaften des mikroskopischen Universums (dh Atome und subatomare Teilchen) nutzt. Quantenmechanik ist das Studium der Physik dieses mikroskopischen Universums, und die Art und Weise, wie die Dinge in diesem Maßstab funktionieren, ist kontraintuitiv und seltsam. Unten ist nur ein Beispiel dafür, wie ungewöhnlich es ist:

  • Unschärferelation: Je besser wir den Ort eines Teilchens verstehen, desto weniger können wir seinen Impuls verstehen (und umgekehrt).
  • Überlagerung: Das Unsicherheitsprinzip bedeutet, dass wir die Eigenschaften eines subatomaren Teilchens vor der Beobachtung nicht mit Sicherheit bestimmen können, aber wir können die bestimmen Chancen dass eine Eigenschaft beobachtet wird. Vor der Beobachtung werden die Eigenschaften von Partikeln als „Überlagerung“ aller möglichen Zustände betrachtet, und wir können die Wahrscheinlichkeit, dass ein gegebener Zustand gemessen wird, erst dann bestimmen, wenn er beobachtet wird.
  • Quantenverschränkung: Teilchen, die miteinander interagieren, können „verschränkt“ werden, sodass sie nicht mehr getrennt von ihren Gegenstücken beschrieben werden können. Selbst sehr weit voneinander entfernte Teilchen bleiben verschränkt, und Albert Einstein bezeichnete diese Eigenschaft als „spukhafte Fernwirkung“.
  • Welle-Teilchen-Dualität: Partikel weisen gleichzeitig sowohl wellenartige als auch partikelartige Eigenschaften auf. Da Teilchen Wellen sind, können sie durch Interferenzen beeinflusst werden.

Eine Kollegin von Holland & Knight erzählte mir einmal, dass ihr das Lehrbuch beim Lesen der Quantenmechanik beim Lesen „übel wurde“, weil das Thema so bizarr war. Sie war nicht allein. So sprachen einige der klügsten Köpfe des 20. Jahrhunderts über das Gebiet (organisiert von, als sie ihren Nobelpreis erhielten):

  • “Wer nicht von der Quantenmechanik geschockt ist, hat sie noch nicht verstanden.” – Niels Bohr (Nobelpreis, 1922)
  • “Das Universum ist nicht nur seltsamer als wir denken, es ist seltsamer als wir denken können.” – Werner Heisenberg (Nobelpreis, 1932)
  • “Ich mag es nicht und es tut mir leid, dass ich jemals etwas damit zu tun hatte.” – Erwin Schrödinger (Nobelpreis, 1933)
  • “Ich denke, ich kann mit Sicherheit sagen, dass niemand die Quantenmechanik versteht.” – Richard Feynman (Nobelpreis, 1965)
  • “Quantenmechanik macht absolut keinen Sinn.” –Roger Penrose (Nobelpreis, 2020)

Die Quantenmechanik ist voller Paradoxien und Widersprüche, aber so seltsam es auch ist, diese Realitäten des Universums sind wie alles andere: Sie sind etwas, das wir zum Zählen und Berechnen verwenden können.

III. Quantencomputing und Quantenalgorithmen

Bereits 1980 schlug Paul Benioff ein Quantenmodell für Computer vor. Jetzt, vierzig Jahre später, beginnt das Feld, tatsächliche Quantencomputer hervorzubringen, die allmählich in der Lage sind, Probleme zu lösen, die klassische Computer nicht können.

Die Funktionsweise von Quantencomputern ist seltsam, weil sie die seltsamen Eigenschaften des mikroskopischen Universums widerspiegelt. Wissenschaftler müssen zunächst subatomare Teilchen isolieren und enthalten, die als „Quantenbits“ (oder „Qubits“) bezeichnet werden und als grundlegende Recheneinheiten dienen. Das klassische Computeranalog zu Qubits sind die 0- und 1-Bits, die durch Transistoren dargestellt werden, aber Qubits wären keine Geschöpfe der Quantenmechanik, es sei denn, sie wären wesentlich bizarrer.

Vor der Beobachtung befinden sich Qubits in einem Überlagerungszustand, der sie effektiv dazu bringt, die Werte 0 und 1 zu tragen zur selben Zeit. Einige Experten vergleichen die Überlagerung eines Qubits mit einer umgeworfenen Münze im Flug – ebenso wahrscheinlich Kopf oder Zahl vor der Landung (das Beobachtungsereignis). Dieses Konzept der Qubit-Überlagerung lässt sich hervorragend skalieren, um umfangreiche Berechnungen parallel durchzuführen. Anstatt darauf zu warten, dass ein klassischer Computer über einen längeren Zeitraum alle möglichen Kombinationen von Nullen und Einsen ausprobiert, kann ein Quantencomputer alle diese Möglichkeiten auf einmal berechnen, um eine Antwort zu berechnen.

Wenn Sie jemals die Kombination zu einem Fahrradschloss verloren haben, können Sie das tun, was ich Anfang der 1990er Jahre versucht habe: Probieren Sie jede Kombination aus vier Zahlen aus, bis sich das Schloss öffnet. Bei einem vierstelligen Fahrradschloss gibt es 10.000 mögliche Kombinationen, denn die Lösung wird eine Zahl zwischen 0000 und 9999 (oder 104 = 10.000). Zehntausend Versuche sind eine Menge Aufwand, um ein 5-Dollar-Fahrradschloss zu sparen, und das war offen gesagt genug für mich, um aufzugeben. (Die Hoffnung ist natürlich, dass auch Möchtegern-Diebe aufgeben.) Ein Quantencomputer könnte effektiv jede mögliche Schlosskombination auf einmal ausprobieren, um die richtige Antwort zu finden.

Und Probleme wie das „Fahrradschloss-Problem“, die aber viel größere (exponentiell größere) Mengen möglicher Lösungen haben, werden Quantencomputer in den kommenden Jahren glänzen lassen. Es ist so etwas wie ein Geheimnis in der Informatik, aber es gibt Probleme, die Computer nicht in angemessener Zeit lösen können. Wenn sie mit diesen Problemen konfrontiert werden, bauen Entwickler normalerweise Abkürzungen oder “Heuristiken”, um eine ziemlich gute Antwort zu geben, wenn nicht die beste Antwort.

Es gibt jedoch keine Abkürzungen, um bestimmte wichtige Probleme zu lösen. Ein solches Problem ist die „Primfaktorzerlegung“, bei der Computer herausfinden müssen, welche Primzahlen miteinander multipliziert werden können, um eine sehr, sehr große Zahl zu erzeugen. Je größer die Zahl, desto schwieriger ist es, eine Primfaktorzerlegung durchzuführen. Dieses Problem ist die Grundlage der modernen Kryptographie, denn selbst unsere leistungsstärksten klassischen Computer sind dieser Aufgabe nicht gewachsen. Wenn Sie die Primfaktorzerlegung lösen können, sind fast alle Verschlüsselungsschemata, einschließlich derjenigen, die Kryptowährungen ermöglichen, in Gefahr. Quantencomputer sind gut geeignet, um diese Art von Problem zu lösen, und können dies theoretisch, weil sie es bereits für sehr kleine Zahlen gelöst haben.

Probleme, die auf klassischen Computern unmöglich sind, gibt es überall. Chemie, Biologie, Materialwissenschaften, Meteorologie, künstliche Intelligenz, Wirtschaftswissenschaften usw. haben alle Probleme von exponentiellem Ausmaß, die Quantencomputer lösen könnten.

Das Gebiet steckt noch in den Kinderschuhen, aber Quantencomputing wird zu dramatischen technologischen und wissenschaftlichen Fortschritten führen, wenn es einen ausgereifteren Zustand erreicht. Und diese Fortschritte werden schnell sichtbar, sobald die Quantencomputer einen Wendepunkt erreicht haben. Anwälte, insbesondere diejenigen, die Kunden in Fragen des Datenschutzes und der Sicherheit der Informationstechnologie beraten, sollten die Entwicklung des Quantencomputings beobachten. Zukünftige Beiträge zu IP/Decode werden sich mit den Auswirkungen von Quantencomputern auf diese wichtigen rechtlichen Fragen befassen.

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